基因突變和基因組

1、基因突變和基因組本 章 內(nèi) 容基因突變及其種類癌癥的遺傳學基礎人類基因組計劃基因工程（自學）重點掌握基因突變類型原癌基因轉(zhuǎn)變?yōu)榘┗虻耐緩降谝淮伟l(fā)現(xiàn)的癌基因 、抑癌基因一、基因突變（gene mutant） 遺傳物質(zhì)發(fā)生的可遺傳的稀有變異(variation) 稱為突變。生物多樣性產(chǎn)生的原材料，或者引起疾病。秦嶺的棕色大熊貓南格魯吉亞島的黑企鵝一、基因突變（gene mutant） 涉及基因本身核苷酸的序列或數(shù)目的突變稱基因突變。 突變發(fā)生在染色體水平基因組水平基因水平基因突變的類型 1.置換：即堿基置換引起的基因突變。 堿基置換：DNA分子中某個堿基被另一個堿基取代。置換突變同義突變：指某個

2、三聯(lián)體密碼子因堿基置換變成同義密碼子，編碼同一種氨基酸。錯義突變：指DNA中堿基置換后，三聯(lián)體密碼子變成編碼另一種氨基酸的遺傳密碼子，導致多肽中相應的氨基酸發(fā)生改變。無義突變：指堿基置換導致一個可編碼的密碼子變成非編碼（無義）的終止密碼子（UAG、UAA、UGA）時，多肽鏈合成提前終止。圖10.1 置換突變2.插入或缺失：指DNA鏈上插入或丟失幾個堿基時，使變化點下游的堿基發(fā)生位移，密碼子重新組合，導致變化點及其以后的多肽氨基酸種類和序列全部改變，又稱移碼突變?；蛲蛔兊念愋蛨D10.2 插入、缺失突變引起移碼突變（特殊情況增減氨基酸） 3.位置改變：轉(zhuǎn)座因子（可移動的DNA片段）可導致基因突變

3、、新基因產(chǎn)生和染色體畸變自主或者非自主染色體畸變基因突變的類型 4.三核苷酸重復（ trinucleotide repeats ）：也稱動態(tài)突變。三核苷酸串聯(lián)重復的拷貝數(shù)高于正?；虻目截悢?shù)。三核苷酸重復（ trinucleotide repeats ） Huntington 舞蹈病：患者出現(xiàn)不由自主的動作，漸漸記憶喪失，行為失常，直至行動失控、死亡。 病因： 4 號染色體上的Huntingtin（HTT）基因的編碼區(qū)上一段 CAG 高度重復序列所致突變。異常蛋白質(zhì)積聚成塊，損壞部分腦細胞。 機理：DNA 聚合酶在DNA 重復序列的區(qū)域“打滑”，從而造成重復拷貝數(shù)增加基因突變的類型 1.置換：

4、即堿基置換引起的基因突變。堿基置換：DNA分子中某個堿基被另一個堿基取代。 2.插入或缺失：指DNA鏈上插入或丟失1個、2個或多個堿基時，使變化點下游的堿基發(fā)生位移，密碼子重新組合，導致變化點及其以后的多肽氨基酸種類和序列全部改變。 3.位置改變：轉(zhuǎn)座因子（可移動的DNA片段）可導致基因突變、新基因產(chǎn)生和染色體畸變 4.三核苷酸重復（ trinucleotide repeats ）：也稱動態(tài)突變。三核苷酸的拷貝數(shù)高于正?；虻目截悢?shù)。二、癌癥的遺傳學基礎腫瘤（tumor）泛指一群生長失去正常調(diào)控的細胞形成的新生物。當腫瘤具有轉(zhuǎn)移特性后就演化為惡性腫瘤稱作癌癥（Cancer）細胞發(fā)生癌變的分子基

5、礎是突變癌相關的基因 癌基因 oncogene 抑癌基因tumor suppressor gene 癌基因和抑癌基因的發(fā)現(xiàn)使我們最終認識到癌是基因突變的結(jié)果。 病毒癌基因(Virus oncogene,V-onc)腫瘤相關基因的最初線索來自于對禽類逆轉(zhuǎn)錄病毒（Rous sarcoma virus）的研究。病毒癌基因是存在于腫瘤病毒基因組中、對病毒本身無影響，但可以使靶細胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化的基因。 Rous sarcoma virus中的src基因。人類癌基因脊椎動物中幾乎都存在與病毒癌基因高度同源的基因片段，稱細胞癌基因（cellular oncogene,c-onc），又稱原癌基因（proto-

6、oncogene）第一次證明膀胱癌DNA確實含有顯性作用的癌癥基因ras，被命名為癌基因。癌基因：是能引起細胞惡性轉(zhuǎn)化的核酸片段。DNA-mediated transformation原癌基因(proto-oncogene):在正常細胞中有與癌基因同源的正?；?被稱為原癌基因原癌基因的產(chǎn)物與細胞的生長與分化有關在癌細胞中原癌基因往往被激活，處于活躍表達的狀態(tài)General events for regulation of cell division in normal cellsProtein kinase原癌基因變?yōu)榘┗虻耐緩睫D(zhuǎn)座或易位 病毒啟動子插入到原癌基因上游 染色體易位：改變原癌

7、基因的位置，生成的融合蛋白的構型功能發(fā)生變化，導致細胞生長失控?；驍U增（gene amplification） 原癌基因異常擴增點突變（point mutation） 產(chǎn)生過量刺激細胞生長的蛋白質(zhì) Ph1 translocation:t(9;22)(q34;q11)圖10.7 原癌基因變成癌基因的途徑增強表達腫瘤抑制基因（TSG）1969 年，Harris 提出細胞中可能有一種抑制惡性腫瘤生長的基因。1987 年，Dryja 克隆到第一個抑癌基因Rb，其突變導致視網(wǎng)膜母細胞瘤。20世紀70年代初，Alfred Knudson提出抑癌基因的二次突變形式。以此解釋了遺傳型與散發(fā)型視網(wǎng)膜母細胞瘤的

8、病理特征。The Two-Hit Hypothesis and Familial RetinoblastomaGeneral events for regulation of cell division in normal cells抑癌基因p53的功能1.大部分癌癥都出現(xiàn) p53基因突變.p53基因功能（“分子警察”）包括:細期調(diào)胞周控 野生型p53蛋白可以結(jié)合WAF1基因（編碼p21）。p21 激活后可以與Cdk 依賴的激酶復合物結(jié)合。激酶活性被封閉，阻斷了G1期向S期的細胞分裂。Cascade of events by which DNA lesions cause an arrest

9、in G1DNA 修復 細胞DNA的損傷會引起p53啟動級聯(lián)反應，使細胞分裂停滯在G1期，以進行DNA修復。細胞凋亡 如果損傷過于嚴重,細胞周期不能恢復， p53 活化“自殺”基因，引發(fā)細胞凋亡。癌變結(jié)果細胞周期過度刺激（癌基因）：Ras細胞周期不被抑制（抑癌基因）：p53，Rb多基因突變是細胞癌變的基礎A multistep molecular event model for the development of FAP三、人類基因組計劃（HGP） 1986年Dulbecco 提出HGP 建議 1988年NIH 和DOE（能源部） 組成“人類基因組研究所” 1990年美國政府決定正式啟動HG

10、P 任務3 109 bp 投入3 109 美元 期限15 年（1990-2005）2001年2月15日由中、美、英、法、德、日等6國科學家組成的“人類基因組測序國際協(xié)作組”，在自然雜志上發(fā)表了關于人類基因組框架圖的數(shù)據(jù). 2003年4月正式宣布完成 人類基因組計劃的主要內(nèi)容 1. 測序測定全基因組DNA分子的核苷酸 序列，繪制序列圖 2. 基因識別識別出基因序列（3萬個） 3. 基因組作圖繪制遺傳圖，物理圖HGP給我們帶來了什么？構建24條染色體的物理圖譜所有的堿基序列人類遺傳多態(tài)性的分析： 100萬個SNP標記 SNP與人類健康個性化給藥開發(fā)了一些技術和設備構建模式動物的基因組圖譜Model

11、 organismsBacteria (E. coli, influenza, several others)Yeast (Saccharomyces cerevisiae)Plant (Arabidopsis thaliana)Roundworm (Caenorhabditis elegans)Fruit fly (Drosophila melanogaster)Mouse (Mus musculus)四、DNA操作技術（自學）DNA重組限制性內(nèi)切酶:4000多種，產(chǎn)生平端和粘端 EcoR5-G A A T T C-3 5-G A A T T C-3 3-C T T A A G-5 3-C

12、T T A A G-5 重組DNA圖10.19 體外重組DNA示意圖外源基因在質(zhì)粒中的克隆載體：能夠承載外源基因并在受體細胞中復制的DNA分子。特點：分子量低、高拷貝、外源DNA插入不影響復制功能例如: 質(zhì)粒(5000bp), 噬菌體(20kb)，細菌人工染色體(100-300kb)， 酵母人工染色體(1000-2000kb)重組質(zhì)粒導入細胞 受體細胞的制備：E coli,熱激或者電擊 抗生素篩選陽性菌落 lacZ基因產(chǎn)物篩選陽性重組質(zhì)粒 DNA文庫cDNA文庫：針對基因的編碼區(qū)序列基因組文庫：針對全基因序列Construction of a “l(fā)ibrary” of DNA from the

13、 human genome in a bacteriophage vectorHuman genomic DNAConstruction of a cDNA library in a plasmid vector重點掌握基因突變類型原癌基因轉(zhuǎn)變?yōu)榘┗虻耐緩降谝淮伟l(fā)現(xiàn)的癌基因 、抑癌基因基因突變的類型 1.置換：即堿基置換引起的基因突變。堿基置換：DNA分子中某個堿基被另一個堿基取代。 2.插入或缺失：指DNA鏈上插入或丟失1個、2個或多個堿基時，使變化點下游的堿基發(fā)生位移，密碼子重新組合，導致變化點及其以后的多肽氨基酸種類和序列全部改變。 3.位置改變：轉(zhuǎn)座因子（可移動的DNA片段）可導致基

14、因突變、新基因產(chǎn)生和染色體畸變 4.三核苷酸重復（ trinucleotide repeats ）：也稱動態(tài)突變。三核苷酸串聯(lián)重復的拷貝數(shù)高于正?；虻目截悢?shù)。突變結(jié)果同義突變：指某個三聯(lián)體遺傳密碼子因堿基置換變成同義密碼子，編碼同一種氨基酸。錯義突變：指DNA中單個堿基置換后，其所在的三聯(lián)體密碼子變成編碼另一種氨基酸的遺傳密碼子，導致多肽中相應的氨基酸發(fā)生改變。無義突變：指單個堿基置換導致一個可編碼的密碼子變成非編碼（無義）的終止密碼子（UAG、UAA、UGA）時，多肽鏈合成提前終止。原癌基因變?yōu)榘┗虻耐緩睫D(zhuǎn)座或易位 病毒啟動子插入到原癌基因上游 染色體易位：改變原癌基因的位置，生成的融合

15、蛋白的構型功能發(fā)生變化，導致細胞生長失控。基因擴增（gene amplification） 原癌基因異常擴增點突變（point mutation） 產(chǎn)生過量刺激細胞生長的蛋白質(zhì) 微生物生命的多樣性北京大學醫(yī)學部醫(yī)學遺傳學系吳 丹重點內(nèi)容物種定義生物分類等級及林奈的二命名法病毒特點、結(jié)構 類病毒、朊病毒重點內(nèi)容原核生物：特點 結(jié)構與功能 （細胞壁、莢膜、鞭毛、菌毛、性菌毛）原生生物：特點 致病性原生動物 （錐蟲、瘧原蟲）生物多樣性源于進化物種是進化產(chǎn)物 物種（Species）的產(chǎn)生、進化依賴環(huán)境的改變。 生物分類等級：界-門-綱-目-科-屬-種（Species，是基本單位），分類等級下加入亞級。

16、 種是基本單位，等級下面還可以有亞級。物種的定義 分類學：具有一定形態(tài)特征的生物個體，與其他類群個體間差異明顯。 進化論：具有一定形態(tài)和遺傳相似性（具有共同基因庫）。物種的穩(wěn)定依賴種間生殖隔離。受精前隔離：地理、生態(tài)、行為、季節(jié)等隔離受精后隔離：異種之間則雜交不育分類學向系統(tǒng)學演化分類學 建立在形態(tài)學基礎上。根據(jù)生物的表面特征、生存地點和對人類的用途等特征比較研究的簡單分類法 ，屬人為分類法。 分類學向系統(tǒng)學演化林奈二命名法：屬名+種名+命名者姓氏或縮寫 人類：Homo sapiens L. 林奈三命名法：屬名+種名+亞種+命名者姓氏或縮寫 華南虎： Panthera tigris amoye

17、nsis Hilz-heimer 系統(tǒng)學 建立在達爾文進化論基礎上，產(chǎn)生共祖、傳衍、性狀分支的概念。對生物類群進化進行比較研究，反映生物類群進化歷史的分類系統(tǒng)，即系統(tǒng)學。屬自然分類法：比較解剖學、比較胚胎學什么是微生物？ 微生物：細菌、病毒、原生生物、真菌的總稱 生命圈中出現(xiàn)最早的生物體，生命史前3/4時間里是唯一的成員。 人類自誕生以來就與微生物共存著，直到未來，都無法擺脫掉它們。以生存范圍、數(shù)量和繁衍進化能力而論，或許可以說地球的統(tǒng)治者是微生物，而不是人。許多微生物把我們當成居所和食物，有的不產(chǎn)生明顯影響，有的還稱得上好鄰居，但也有一些使我們生病，并且以我們?yōu)樘鍖ふ倚碌墨C物。細菌、生物圈

18、與人類的關系細菌是大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)的分解者。細菌有利于人類 發(fā)酵、皮革制造、食品、遺傳工程的工具、制藥細菌不利于人類 致病性，產(chǎn)生的外毒素或者內(nèi)毒素引起過渡免疫反應。結(jié)核、傷寒、肺炎、痢疾等等一、非細胞形態(tài)生命體病毒 無獨立的代謝系統(tǒng)。病毒特點 嚴格寄生 不能在人工培養(yǎng)基上生長 對抗生素不敏感異種宿主傳播：洪水猛獸疾病重癥急性呼吸綜合征（Severe Acute Respiratory Syndrome ，SARS）中東呼吸綜合征(Middle East respiratory syndrome，MERS)首發(fā)時間2003年2012年首發(fā)/高發(fā)地區(qū)中國/東南亞沙特/中東全球死亡率11%37.8%

19、病原體SARS病毒MERS病毒病毒來源蝙蝠？果子貍？蝙蝠？駱駝？冠狀病毒 病毒結(jié)構 由核酸（DNA or RNA）和蛋白質(zhì)（衣殼）兩種成分構成。有些病毒還具有包膜(具有抗原性)。 衣殼的不同形狀使病毒呈現(xiàn)不同形狀。二十面體（腺病毒）螺旋體（煙草花葉病毒）復合體（噬菌體） 病毒分類 按照宿主分類：動物病毒、植物病毒、細菌病毒 按照核酸分類：DNA病毒、RNA病毒 病毒繁殖周期 借助宿主細胞的酶、氨基酸、核苷酸、細胞器侵染、脫殼、釋放復制病毒基因組復制病毒蛋白包裝 類病毒（viroid） 只包含RNA成分，沒有蛋白質(zhì)外殼。感染多種植物。 朊病毒（prion） 只包含感染蛋白質(zhì)成分，感染哺乳動物，引

20、起海綿狀腦病。 1982年S.B.Prusiner在羊搔癢病中分離的病原體。其癥狀表現(xiàn)為：喪失協(xié)調(diào)性、煩躁不安、奇癢難熬，直至癱瘓死亡。 1996年英國發(fā)生的“瘋牛病” 正常基因編碼腦神經(jīng)細胞膜糖蛋白 (prpc)，水溶性朊病毒的致病機理 致病型蛋白粒子（prpsc），高級結(jié)構改變，溶解性降低，不易降解，形成組織空洞蛋白質(zhì)折疊錯誤二、原 核 生 物 原核生物（細菌為典型代表），具有核糖體和環(huán)狀DNA，缺少細胞器，沒有明顯的細胞核。進行二分裂，可以遺傳重組。多為單細胞的，也有多細胞集合而成的多細胞個體。細菌原核生物的典型代表出現(xiàn)于35億年前，分布廣泛。分類 按照形態(tài)分：球菌 桿菌 螺旋菌 按照革

21、蘭氏染色法分：陽性菌（G+）：鏈球菌、葡萄球菌；陰性菌（G-）：大腸桿菌、沙門氏菌金黃色葡萄球菌肺炎桿菌大腸桿菌幽門螺旋菌單染色法：只能觀察微生物的大小、形狀、和細胞排列狀況，但不能鑒別微生物以及它的特殊構造等。復染色法：用兩種或兩種以上染色液進行染色，有協(xié)助鑒別微生物的作用，故也稱鑒別染色法。常用的有：革蘭氏染色法、抗酸染色法、芽孢染色法、鞭毛染色法等。革蘭氏（Gram）染色法 經(jīng)此法染色后，細胞保留初染劑藍紫色的細菌為革蘭氏陽性菌；細胞中初染劑被脫色劑洗脫而染上復染劑的顏色（紅色）的細菌為革蘭氏陰性菌。Gram stain of Gram -Gram stain of Gram + 細菌結(jié)

22、構 細胞壁 G+菌細胞壁包括肽聚糖和磷壁酸，胞壁厚，肽聚糖網(wǎng)狀結(jié)構層次多，染料不易溶出，呈現(xiàn)紫紅色。受青霉素和廣譜抗生素抑制。 G-菌細胞壁由外膜和肽聚糖，不含磷壁酸，胞壁薄，交聯(lián)度低，含有的脂類多，染料易溶出，呈現(xiàn)紅色。受多肽類抗菌素和廣譜抗生素抑制。 莢膜 在胞壁外，成分為多糖或多肽。 避免干燥，防御，表面附著作用，貯藏營養(yǎng)，滲透屏障，信息識別，堆積代謝廢物。 鞭毛、菌毛 鞭毛負責運動，菌毛具有噬菌體的吸附位點，性菌毛行使接合功能（傳遞耐藥性和毒力）。 細菌繁殖 二分裂法快速無性繁殖。特殊的原核生物支原體（又稱霉形體） 目前發(fā)現(xiàn)的最小、最簡單的細胞。直徑0.1-0.3m。有膜無壁，沒有集中

23、核區(qū)，具有核糖體?？梢栽谔厥獾呐囵B(yǎng)基上接種生長。對抗生素敏感。多數(shù)為致病性的種類。衣原體 似一種大型病毒（直徑0.2-0.3m）。具有細胞壁，對抗生素敏感。多寄生于動物細胞，依靠宿主提供ATP。特殊的原核生物 立克次氏體（rickettsia） 大細胞，不能通過細菌濾器。對抗生素敏感?？梢约纳谡婧思毎校ü?jié)肢動物）。大多是人畜共患病的病原體，引起傷寒。三、原 生 生 物 起始于16億年前。是單細胞的真核生物。由于有了核膜，（關鍵是）細胞中產(chǎn)生了核，所以原生生物屬于真核生物。細胞結(jié)構較完善，具有動植物個體所具有的功能。通過無性生殖和有性生殖來進行繁衍。能夠完整、獨立生活的有機體。原生動物分類 肉鞭動物門：肉足蟲亞門（變形蟲）、鞭 毛蟲亞門（鞭毛蟲，錐蟲，眼蟲） 頂復合器門：瘧原蟲